Di truyền học cổ điển

                                                                                         

I- DI TRUYỀN HỌC MENDEL

1- Phương pháp thí nghiệm

2- Lai đơn tính

3- Lai lưỡng tính và đa tính

4- Tương tác gen

II- DI TRUYỀN HỌC SAU MENDEL

1- Sự xác định giới tính và di truyền liên kết giới tính

2- Di truyền liên kết

3- Ðột biến nhiễm sắc thể

CHƯƠNG II

  DI TRUYỀN HỌC CỔ ÐIỂN

            Trong một thời gian dài trước đây, người ta đã biết rằng nhiều đặc điểm của sinh vật, từ hình thái đến tập tính, có thể di truyền được.  Những hiểu biết nầy cũng đã được ứng dụng vào chăn nuôi và trồng trọt.  Tuy nhiên, vào thời kỳ nầy các cơ chế di truyền vẫn chưa được biết rõ.

            Việc phát hiện ra các qui luật di truyền không chỉ làm sáng tỏ cơ chế của các hiện tượng di truyền và biến dị mà còn giúp chúng ta hiểu biết sâu hơn về cách thức mà chọn lọc đã tác động để tạo ra sự tiến hóa, là chủ đề sẽ được đề cập đến ở những chương sau.

I. DI TRUYỀN HỌC MENDEL (xin bấm vào để đọc tiểu sử Mendel)

Phương pháp nghiên cứu di truyền của Mendel bao gồm các đặc điểm sau đây:

(1)   Ðối tượng nghiên cứu là đậu Hà Lan (Pisum sativum) có những đặc tính cần thiết thỏa mãn các yêu cầu cho nghiên cứu di truyền như: (a) các thứ của chúng hoàn toàn khác biệt nhau, không có các dạng trung gian.  (b) hoa của chúng có khả năng tự thụ phấn và tránh được sự giao phấn trong tự nhiên nhưng dễ dàng cho giao phấn nhân tạo.  (c) có thể tiếp tục trồng qua nhiều thế hệ sau khi đã cho lai.

(2)   Khi cho lai giữa hai dòng đậu khác nhau, mỗi lúc ông chỉ theo dõi sự di truyền của một cặp tính trạng tương phản, bỏ qua tất cả các tính trạng khác.

(3)   Ông đã đếm và ghi nhận hàng ngàn cá thể con từ mỗi thí nghiệm và sau đó dùng toán học thống kê để phân tích các kết quả thu được.

a. Thí nghiệm và kết quả

Mendel tiến hành thí nghiệm với các dòng đậu, phần lớn được mua từ các nguồn khác nhau.  Ông trồng riêng từng dòng trong nhiều năm để chọn ra các dòng thuần chủng (nghĩa là những dòng nầy cho ra con cái giống hệt chúng).  Trong số các đặc điểm được nghiên cứu, Mendel quan tâm đến 7 đặc điểm.  Ông lưu ý rằng mỗi một trong số bảy đặc điểm nầy chỉ xuất hiện ở hai dạng tương phản: hạt tròn hoặc nhăn, hoa đỏ hoặc trắng...  (Bảng 1).

            Khi Mendel cho lai giữa hai dòng thuần chủng khác nhau về một cặp tính trạng tương phản thì tất cả các cá thể con (thế hệ F1) đều giống nhau và giống với một trong hai cá thể bố mẹ.  Thí dụ: cho lai giữa cây  hoa đỏ thuần chủng và cây hoa trắng thuần chủng, tất cả các cây F1 đều có hoa đỏ.

            Rõ ràng là ở thế hệ F1 chỉ có một trong hai tính trạng của bố hoặc mẹ được biểu hiện.  Mendel gọi tính trạng xuất hiện ở F1 là tính trạng trội và tính trạng không biểu

hiện ở thế hệ nầy là tính trạng lặn.

            Tiếp tục cho các cây F1 (tất cả đều có hoa đỏ) tự thụ phấn, ở thế hệ tiếp theo (F2) cả hai thứ hoa đỏ và hoa trắng đều xuất hiện: 705 cây hoa đỏ và 224 cây hoa trắng.  Tính trạng lặn đã xuất hiện trở lại ở thế hệ F2 với tỉ lệ xấp xỉ 1/4.  Kết quả cũng tương tự đối với sáu tính trạng khác được nghiên cứu (bảng 7.1), các tính trạng lặn biếm mất ở F1, nhưng xuất hiện trở lại với tỉ lệ khoảng 1/4 ở F2.  Chúng ta có thể tóm tắt kết quả thí nghiệm về màu hoa như sau:

                        P            Hoa đỏ     x     Hoa trắng

                        F1              Tất cả đều có hoa đỏ

                        F2          3/4 hoa đỏ       1/4 hoa trắng

                        b. Giải thích và kết luận

Từ  những thí nghiệm nầy Mendel đã đưa ra kết luận quan trọng là mỗi cây đậu đều có hai nhân tố di truyền (hereditary factor) cho mỗi tính trạng.  Khi giao tử được thành lập, hai nhân tố phân ly và đi về hai giao tử riêng biệt, mỗi giao tử chỉ mang một nhân tố cho mỗi tính trạng.  Vì vậy mỗi cây phải nhận một nhân tố từ cây mẹ và một nhân tố từ cây bố.  Sự kiện hai tính trạng tương phản của bố mẹ (hoa đỏ và hoa trắng) có thể cùng xuất hiện ở F2 cho thấy các nhân tố di truyền phải tồn tại như các phần tử riêng biệt trong tế bào, chúng không hòa trộn lẫn nhau.  Vì vậy, theo Mendel mỗi cây F1 có chứa một nhân tố cho hoa đỏ (là trội) và một nhân tố cho hoa trắng (là lặn).  Hai nhân tố nầy cùng nằm trong nhân tế bào, chúng tồn tại riêng biệt và phân ly khi giao tử được thành lập.  Nguyên lý nầy được xem như là dịnh luật thứ nhất của Mendel, định luật phân ly (law of segregation):

Mỗi cá thể có hai nhân tố di truyền cho mỗi tính trạng, trong quá trình thành lập giao tử hai nhân tố nầy phân ly về hai giao tử khác nhau nên mỗi giao tử chỉ có một nhân tố.  Khi các giao tử phối hợp nhau trong thụ tinh, cặp nhân tố được khôi phục lại trong hợp tử. 

Kết luận của Mendel phù hợp với những gì chúng ta đã biết vể nhiễm sắc thể và hoạt động của chúng trong giảm phân.  Nhân lưỡng bội có hai nhiễm sắc thể của mỗi cặp tương đồng, chứa hai gen cho mỗi cặp tính trạng.  Vì vậy, tế bào lưỡng bội có hai bản sao (giống hoặc khác nhau) của mỗi gen, chúng chính là hai nhân tố di truyền mà Mendel đã mô tả.  Vì mỗi cặp nhiễm sắc thể tương đồng đều phân ly trong giảm phân, giao tử chỉ có một nhiễm sắc thể mỗi loại và vì vậy chỉ có một bản sao của mỗi gen.

Bây giờ chúng ta hãy khảo sát lại phép lai của Mendel ở các cây đậu có màu hoa khác nhau và giải thích các kết quả nầy bằng thuật ngữ hiện đại.  Ở đậu có hai dạng khác nhau của gen qui định màu hoa, một cho ra hoa đỏ và một cho ra hoa trắng.  Khi một gen tồn tại nhiểu dạng khác nhau, mỗi dạng được gọi là một alen (allele).  Hai alen của một gen nằm ở cùng một vị trí gọi là locus trên hai nhiễm sắc thể của một cặp tương đồng.  Ở gen qui định màu hoa đậu, alen qui định màu hoa đỏ là trội trong khi alen qui định màu hoa trắng là lặn.  Người ta thường qui định gen bằng chữ cái: chữ hoa cho alen trội và chữ thường cho alen lặn.  Do đó ta có thể qui ước C: hoa đỏ, c : hoa trắng.  Vì tế bào lưỡng bội có hai bản sao của mỗi gen, nó có thể có hai bản sao của cùng một alen hoặc của hai alen khác nhau.  Như vậy, mỗi tế bào của một cây đậu có thể có hai bản sao của alen hoa đỏ (CC), hoặc hai bản sao của alen hoa trắng (cc), hoặc một bản sao của alen hoa đỏ và một bản sao của alen hoa trắng (Cc).  Những tế bào có hai alen giống nhau gọi là đồng hợp tử (homozygous), những tế bào có hai alen khác nhau gọi là dị hợp tử (heterozygous).     

Cần lưu ý là người ta không thể quan sát bằng mắt để kết luận một cây là đồng hợp tử về alen trội (CC) hay dị hợp tử (Cc) vì cả hai cây nầy đều cùng có hoa đỏ.  Nói cách khác, một alen trội hoàn toàn lấn át alen lặn và một cơ thể dị hợp sẽ có tính trạng được qui định bởi alen trội.  Ðiều này có nghĩa là không có quan hệ một đối một giữa các tổ hợp di truyền khác nhau (kiểu gen) với các tính trạng được biểu hiện (kiểu hình) của sinh vật.  Trong thí dụ về màu hoa đậu, có ba kiểu gen CC, Cc, cc, hai kiểu hình hoa đỏ và hoa trắng.

            Chúng ta có thể viết lại tóm tắt thí nghiệm của Mendel như sau:

                        P               CC                x               cc

                                       Hoa đỏ                        Hoa trắng

                        F₁                                 Cc

                                                  100% Hoa đỏ

                        F₁ x F₁                 Cc       x        Cc

                        F₂          CC                 Cc                Cc                 cc

                                       Ðỏ                 Ðỏ               Ðỏ              Trắng

c. Hiện tượng trội không hoàn toàn và đồng trội

Ở cả bảy tính trạng trên các cây đậu mà Mendel nghiên cứu, mỗi tính trạng đều có một alen trội hoàn toàn (complete dominance) so với alen còn lại.  Trong trường hợp trội không hoàn toàn (incomplete dominance), cá thể dị hợp sẽ có kiểu hình trung gian giữa hai kiểu hình của hai cá thể bố mẹ đồng hợp.  Thí dụ: lai giữa hai thứ hoa mõm chó thuần chủng hoa màu đỏ và hoa màu trắng, F1 đồng loạt có hoa màu hồng, F2  phân ly theo tỉ lệ 1 hoa đỏ : 2 hoa hồng : hoa trắng.  Kết quả phép lai có thể minh hoạ như sau:

                        P            RR        x          R’R’

                                  Hoa đỏ            Hoa trắng                           

                        F₁                      RR’

                                       100% Hoa hồng

                        F₁ x F₁        RR’   x     RR’

                        F₂       RR             RR’           RR’           R’R’    

                                   đỏ            hồng         hồng        trắng

            Thuật ngữ đồng trội (codominance) được dùng để mô tả một trường hợp trong đó hai alen được biểu hiện độc lập nhau trong cơ thể dị hợp.  Cơ thể dị hợp có kiểu hình khác với cơ thể dồng hợp nhưng không phải là kiểu hình trung gian.  Một thí dụ về hiện tượng đồng trội được tìm thấy ở nhóm máu A-B-O của người.  Người mang nhóm máu A có alen A và chỉ biểu hiện glycoprotein A trên tế bào hồng cầu, người mang nhóm máu B có alen B và chỉ biểu hiện glycoprotein B.  Tuy nhiên, người mang nhóm máu AB có cả hai alen A và B và biểu hiện cả hai glycoprotein, vì vậy kiểu hình của họ khác biệt so với hai kiểu hình trên.  Trong trường hợp nầy, cả hai alen A và B đều có biểu hiện như nhau.

            Tóm lại phương thức trội không hoàn toàn và đồng trội khác với trội hoàn toàn ở hai điểm chính: (1) Thế hệ F1 của một phép lai đơn tính giữa hai cá thể bố mẹ thuần chủng sẽ có kiểu hình khác với bố mẹ; (2) Tỉ lệ kiểu hình ở F2 là 1:2:1 (giống với tỉ lệ kiểu gen) thay vì 3:1.

a. Lai lưỡng tính và định luật phân ly độc lập

Các thí nghiệm của Mendel trên đậu Hà Lan không chỉ giới hạn ở một cặp tính trạng mà đôi khi bao gồm hai hoặc nhiều cặp tính trạng (đã được liệt kê ở bảng 7.1).  Thí dụ: ông cho lai các cây thuần chủng có hạt vàng, tròn với các cây có hạt lục, nhăn.  Tất cả các cây F1 đều có hạt vàng, tròn.  Khi các cây F1 tự thụ phấn, F2 có 4 kiểu hình khác nhau:

                        315 có hạt vàng, tròn

                        101 có hạt vàng, nhăn

                        108 có hạt lục,tròn

                        32 có hạt lục, nhăn

Bốn kiểu hình nầy chiếm tỉ lệ khoảng 9 : 3 : 3 : 1.

Thí nghiệm nầy đã chứng minh rằng một phép lai lưỡng tính có thể cho ra một số cây có kiểu hình mới khác với các cây bố mẹ ban đầu.  Hai kiểu hình mới ở đây là hạt vàng, nhăn và hạt lục, tròn.  Nói cách khác, nó chứng minh rằng các gen qui định màu hoa và các gen qui định dạng hạt không nhất thiết phải nằm chung trong một tổ hợp như ở thế hệ bố mẹ.

            Tỉ lệ 9 : 3 : 3 : 1 là đặc trưng cho thế hệ F2 của một phép lai lưỡng tính (với tính trạng trội hoàn toàn), trong đó các gen qui định hai tính trạng di truyền độc lập nhau.  Mỗi cặp tính trạng trong phép lai lưỡng tính đều tác động giống hệt như trong một phép lai đơn tính.

            Như vậy, tỉ lệ 9 : 3 : 3 : 1 chính là kết quả của hai tỉ lệ 3 : 1 độc lập.    

            Nếu qui định     R: hạt tròn                 r: hạt nhăn

                                       G: hạt vàng               g: hạt lục

            Có thể tóm tắt phép lai trên bằng sơ đồ sau:

            P                GGRR                 x                  ggrr

                          vàng, tròn                             lục, nhăn

            Gt                 GR                                           gr

            F₁                           GgRr        x           GgRr

                                      vàng, tròn             vàng, tròn

            Gt              GR , Gr , gR , gr          GR , Gr , gR , gr

            F₂

                                 F₂             9 G - R -            3 G - rr             3 rr G -            1 rrgg

                                                 vàng, tròn        vàng, nhăn       lục, tròn          lục, nhăn

            Từ những quan sát trên các kết quả thu được, Mendel đã đưa ra định luật thứ hai gọi là định luật phân ly độc lập (principle of independence assortment):

Khi có hai hoặc nhiều gen trong một phép lai thì trong quá trình thành lập giao tử, các alen của một gen nầy sẽ di truyền độc lập với các alen của những gen khác.

b. Lai đa tính và công thức phân tính chung

Như ta đã thấy ở trên một cách để xác định tỉ lệ kiểu gen và kiểu hình trong một phép lai với hai cặp tính trạng là thiết lập một khung Punnett.  Cách nầy mặc dù rất thuận lợi trong các phép lai đơn tính và lưỡng tính nhưng lại rất hạn chế trong phép lai đa tính.  Trong trường hợp lai đa tính, có một cách khác dễ dàng hơn, dựa vào cơ sở của một nguyên lý: xác suất để cho các sự kiện độc lập nhau xảy ra đồng thời sẽ bằng tích số các xác suất của từng sự kiện được biểu hiện riêng rẽ.

Chúng ta có thể ứng dụng nguyên lý này để tính số kiểu giao tử, số kiểu tổ hợp, số kiểu gen, số kiểu hình, tỉ lệ kiểu gen, tỉ lệ kiểu hình trong một phép lai đa tính.

             Giả sử trong một phép lai với ba cặp tính trạng: màu hoa, màu hạt và dạng hạt, chúng ta muốn tìm xem tỉ lệ của các cây ở F2 (được tạo ra khi cho các cây F1 dị hợp về ba cặp alen lai với nhau) có kiểu hình hoa đỏ, hạt vàng, nhăn là bao nhiêu? Chúng ta đã biết trong từng phép lai đơn tính: tỉ lệ hoa đỏ là 3/4, hạt vàng là 3/4, hạt nhăn là 1/4.  Nhân ba tỉ lệ nầy với nhau, ta sẽ được tỉ lệ của kiểu hình hoa đỏ, hạt vàng, nhăn ở F2 là 3/4 x 3/4 x 3/4 = 9/64.

Trong phần trên chúng ta đã thấy các alen khác nhau của cùng một gen có thể tác động qua lại như trong trường hợp trội không hoàn toàn.  Các gen khác nhau cũng có thể tương tác với nhau.  Thật vậy, phần lớn các đặc điểm hình thái hoặc các đặc điểm sinh hóa đều được kiểm soát bởi nhiều gen.  Chẳng hạn như quá trình đường phân là một quá trình gồm nhiều bước, mỗi bước đòi hỏi một loại enzim và mỗi enzim được sản xuất bợi hoạt  động của một gen chuyên biệt.  Hầu hết các enzim nầy đều phụ thuộc vào một hoặc một số enzim khác hoạt động trước đó trong chuỗi phản ứng hóa học.

a.  Tương tác bổ trợ (complementary interaction)

Ðôi khi hai gen ảnh hưởng đến cùng một loại tính trạng có thể tác động qua lại để tạo ra một kiểu hình mới mà mỗi gen riêng rẽ không thể tạo ra.  Kiểu tương tác nầy có thể thấy trong sự kiểm soát tính trạng hình dạng mào gà.  Gen R qui định mào hình hoa hồng trong khi alen lặn r cho ra mào đơn.  Một gen khác P qui định mào hình hạt đậu, alen lặn p cũng cho ra mào đơn.  Khi R và P cùng hiện diện chung trong kiểu gen, chúng sẽ tương tác với nhau tạo ra mào hình quả hồ đào.

Kết quả phép lai giữa gà có mào hình hoa hồng với gà có mào hình hạt đậu có thể tóm tắt như sau:

            P                   RRpp             x              rrPP

                                          hoa hồng                      hạt đậu

                        F₁                         RrPp      x        RrPp

                                                   hồ đào             hồ đào

                        F₂          9 R - P -          3 R - pp            3 rr P -           1 rrpp

                                        hồ đào           hoa hồng         hạt đậu           đơn     

            Cần lưu ý rằng, một phép lai giữa dạng gà mào hồ đào thuần chủng RRPP với dạng gà mào đơn rrpp cũng cho ra kết quả tương tự.  Hơn nữa tỉ lệ 9 : 3 : 3 : 1 trong trường hợp nầy giống như trong một phép lai lưỡng tính của Mendel.  Tuy nhiên điểm khác biệt là trong tương tác bổ trợ không thể nào xác định được tác động của từng gen dựa trên cơ sở biểu hiện của kiểu hình.

b. Tương tác át chế (Epistasis)

Như vừa thấy ở trên, trong tương tác bổ trợ, hai gen khác nhau đều góp phần vào việc biểu hiện kiểu hình mới.  Ngược lại, trong tương tác át chế, sự biểu hiện của một gen này có thể bị át chế bởi tác động của một gen khác.  Thí dụ ở chuột, một gen qui định sự tổng hợp sắc tố da melanin át chế đối với một gen khác qui định sự tích tụ melanin.  Gen thứ nhất có hai alen: C qui định sự tổng hợp melanin và c làm cho sắc tố không được tổng hợp, vì vậy một cá thể đồng hợp cc sẽ là một cá thể bạch tạng.  Gen thứ hai có alen B gây ra sự tích tụ nhiều melanin làm cho chuột có màu lông đen và alen b gây ra sự tích tụ một lượng trung bình của melanin làm cho chuột có màu lông nâu.  Cả B và b đều không tạo ra sự tích tụ melanin nếu không có C.  Kết quả phép lai giữa các cá thể có hai gen nầy có thể tóm tắt như sau:

                        P              CCBB                x                    ccbb

                                         đen                                    bạch tạng        

                        F₁                         CcBb     x       CcBb

                                                        đen                đen

                        F₂       9 C - B -          3 C - bb        3 ccB -        1 ccbb

                                      đen                   nâu            trắng           trắng

            Thay vì tỉ lệ kiểu hình ở F2 9 : 3 : 3 : 1, phép lai nầy đã cho ra tỉ lệ là 9 : 3 : 4.

            Cần lưu ý rằng tương tác át chế khác với trường hợp trội hoàn toàn.  Trội hoàn toàn là trường hợp tương tác giữa hai alen của cùng một gen (alen trội lấn át sự biểu hiện của alen lặn cùng cặp) còn át chế là trường hợp tương tác giữa hai gen không alen.

c.  Tác động đa gen

Vừa qua chúng ta đã thảo luận về các tính trạng chỉ có một số lượng giới hạn các kiểu hình tương đối riêng biệt: hoa đậu màu đỏ hoặc trắng, hạt đậu màu vàng hoặc lục.  Tuy nhiên trong nhiều trường hợp có những tính trạng có rất nhiều biến dị kiểu hình và các kiểu hình nầy không có ranh giới rõ rệt.  Chẳng hạn như chiều cao, màu da, chỉ số IQ của người...  Chúng ta có thể nói gì về cơ sở di truyền của những tính trạng như thế?

            Có thể giải thích là hai hoặc nhiều gen riêng biệt có thể ảnh hưởng lên cùng một tính trạng theo cùng một cách, với tác động cộng gộp.  Kiểu di truyền nầy gọi là di truyền đa gen (multiple-gene inheritance).  Bằng chứng đầu tiên đến năm 1909 khi nhà di truyền học Thụy Ðiển Hermen Nilsson-Ehle chỉ ra rằng màu sắc của hạt lúa mì (rất khác nhau từ màu trắng đến các dạng hồng, đỏ và đỏ thẩm) là kết quả của sự tương tác giữa ba gen.  Mỗi gen có hai alen.  Một alen trội không hoàn toàn cho màu đỏ và một alen cho màu trắng.  Hạt đỏ thẩm là đồng hợp về các alen đỏ của cả ba gen, trong khi hạt trắng là đồng hợp về các alen trắng của cả ba gen.  Tất cả các kiểu hình ở giữa là kết quả của những tổ hợp dị hợp khác nhau của các alen.

                        P           A’A’B’B’C’C’          x           AABBCC

                                             trắng                               đỏ thẩm

                        F₁          A’AB’BC’C             x           A’AB’BC’C

                                        đỏ nhạt                                đỏ nhạt

                        F2        1/64 trắng   6/64 hồng nhạt   15/64  hồng   20/64 đỏ nhạt 

                                      15/64 đỏ      6/64 đỏ đậm       1/64 đỏ thẩm

            Nếu biểu diễn bằng đồ thị tần số của màu hạt ở F2, chúng ta sẽ nhận được một đường cong có dạng hình chuông, chúng cũng là đường cong phân bố cho các tính trạng khác biệt liên tục trong quần thể như chiều cao, màu da... 

Tuy nhiên trong phần lớn các trường hợp tương tác đa gen, không phải tất cả các gen đều có vai trò như nhau đối với kiểu hình, do đó thường không thể xác định số lượng và bản chất các gen bằng cách chỉ đơn giản quan sát sự phân bố của các kiểu hình ở F2.

II. DI TRUYỀN HỌC SAU MENDEL

a.  Sự xác định giới tính

Ở các động vật phân tính, bộ nhiễm sắc thể của con đực và con cái hơi khác nhau.  Nói chung, một trong hai giới có một cặp nhiễm sắc thể trong đó hai chiếc có kích thước và hình dạng khác nhau.  Cặp nhiễm sắc thể nầy được gọi là cặp nhiễm sắc thể giới tính (sex chromosome), giữ vai trò cơ bản trong việc xác định giới tính của sinh vật.  Tất cả các nhiễm sắc thể khác được gọi là nhiễm sắc thể thường (autosome).

Trước tiên chúng ta hãy xem bộ nhiễm sắc thể của ruồi giấm và của người.  Trong mỗi trường hợp, nhiễm sắc thể giới tính gồm hai loại: một loại có mang nhiều gen, được ký hiệu là nhiễm sắc thể X, một loại có hình dạng khác, chỉ mang một ít gen hoặc không mang gen, được ký hiệu là nhiễm sắc thể Y.  Ở người và ruồi giấm, thông thường giới cái có hai nhiễm sắc thể X, trong khi giới đực có một X và một Y.  Bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội của ruồi giấm là 2n = 8, vì vậy con cái có 3 cặp nhiễm sắc thể thường và 1 cặp nhiễm sắc thể giới tính XX, con đực có 3 cặp nhiễm sắc thể thường và 1 cặp nhiễm sắc thể giới tính XY.  Tương tự, bộ nhiễm sắc thể lưỡng bội của người là 2n = 46 (23 cặp), nữ giới có 22 cặp nhiễm sắc thể thường và 1 cặp nhiễm sắc thể XX, nam giới có 22 cặp nhiễm sắc thể thường và 1 cặp XY.

Khi cá thể cái giảm phân tạo giao tử, tất cả các trứng đều sẽ nhận được một nhiễm sắc thể X.  Khi cá thể đực giảm phân tạo tinh trùng, một nửa tinh trùng được hình thành có nhiễm sắc thể X và một nửa có nhiễm sắc thể Y.  Nói ngắn gọn, tất cả các trứng đều có nhiễm sắc thể giống nhau còn tinh trùng gồm hai loại với số lượng bằng nhau.  Khi sự thụ tinh xảy ra, xác suất để trứng được thụ tinh bởi tinh trùng X bằng với xác suất được thụ tinh bởi tinh trùng Y.  Nếu trứng được thụ tinh bởi tinh trùng X, hợp tử sẽ là XX và sẽ phát triển thành con cái.  Nếu trứng được thụ tinh bởi tinh trùng Y, hợp tử sẽ là XY và sẽ phát triển thành con đực. 

                        P                    XX           x             XY

                                               cái                         đực

                        Gt                    X                         X   ,   Y

                        F₁                   XX            :             XY

                                              1 cái                      1 đực

            Như vậy chúng ta thấy rằng giới tính của một cá thể thường được xác định vào thời điểm thụ tinh và tùy thuộc vào loại tinh trùng nào thụ tinh cho trứng.

            Hệ thống XY (giới cái là XX và giới đực là XY) là đặc điểm của nhiều loài động vật (bao gồm tất cả các động vật hữu nhũ).  Hệ thống nầy cũng thấy ở các thực vật phân tính.  Ở chim, bướm, một số loài cá có một hệ thống ngược lại: giới cái là XY và giới đực là XX.  Ở châu chấu, dế, gián, chỉ có một loại nhiễm sắc thể giới tính X: giới cái  là XX, giới đực là XO.  Ong và kiến không có nhiễm sắc thể giới tính: con cái phát triển từ trứng thụ tinh (do đó là cá thể lưỡng bội), con đực phát triển từ trứng không thụ tinh và là cá thể đơn bội.

b. Di truyền liên kết giới tính

·         Gen trên nhiễm sắc thể X

Nhiều gen có trên nhiễm sắc thể X nhưng không có trên nhiễm sắc thể Y.  Những gen nầy được gọi là liên kết giới tính.  Phương thức di truyền của những tính trạng được kiểm soát bởi các gen liên kết giới tính hoàn toàn khác với những tính trạng được kiểm soát bởi các gen trên nhiễm sắc thể thường vì những lý do rõ rệt.  Cá thể cái có hai bản sao ( 2 alen) của mỗi gen liên kết giới tính, mỗi bản sao nhận từ một cá thể bố hoặc mẹ.  Con đực chỉ có một bản sao của mỗi gen và bản sao nầy luôn luôn nhận từ mẹ vì bố chỉ cung cấp nhiễm sắc thể Y cho con trai.  Do đó ở con đực, các gen lặn không bị lấn át sẽ luôn luôn biểu hiện ra kiểu hình vì vậy kiểu hình lặn xuất hiện ở giới đực phổ biến hơn là ở giới cái.

            Sự di truyền liên kết giới tính được phát hiện vào năm 1910 bởi nhà di truyền học người Mỹ là Thomas Hunt Morgan.  Ông là người đầu tiên sử dụng ruồi giấm vào việc nghiên cứu di truyền.  Tính trạng đột biến đầu tiên Morgan quan sát được trên ruồi giấm là màu mắt trắng.  Tính trạng nầy được kiểm soát bởi alen lặn w, màu mắt đỏ ở ruồi hoang dại được kiểm soát bởi alen trội W.  Nếu một ruồi cái đồng hợp có mắt màu đỏ  được lai với một ruồi đực mắt trắng, tất cả các cá thể F1 (không phân biệt giới tính) đều có mắt màu đỏ vì chúng đều nhận một nhiễm sắc thể X mang alen W từ mẹ.  (Cá thể cái cũng nhận được alen w từ bố nhưng vì W trội nên lấn át sự biểu hiện của w, còn cá thể đực chỉ nhận từ bố một nhiễm sắc thể Y không mang gen qui định màu mắt).  Khi xét phép lai ngược lại, thế hệ bố mẹ là ruồi cái mắt trắng và ruồi đực mắt đỏ, ở F1 tất cả các ruồi cái đều có mắt đỏ còn toàn bộ ruồi đực đều có mắt trắng.

            So sánh kết quả của hai phép lai nầy chúng ta thấy rõ trong trường hợp có sự di truyền liên kết giới tính, kết quả của phép lai thuận và nghịch khác nhau tùy thuộc vào kiểu hình của bố và mẹ.  Ngược lại trong trường hợp gen nằm trên nhiễm sắc thể thường, kết quả của phép lai thuận và nghịch hoàn toàn giống nhau.

P       X^WX^W           x            X^wY                           P        X^wX^w           x       X^WY  

                  cái đỏ                        đực trắng                           cái trắng               đực đỏ

Gt       X^W                          X^w   ,    Y                     Gt        X^w                   X^W   ,   Y  

F₁                  X^W X^w            X^W Y                                                 F₁       X^W X^w            X^w Y

                            100% đỏ                                                1 cái đỏ          1 đực trắng 

            Hai trường hợp được biết rõ nhất về các tính trạng lặn liên kết giới tính ở người là bệnh mù màu và bệnh máu khó đông.  Các tính trạng này biểu hiện ở nam nhiều hơn ở nữ.

·        Gen trên nhiễm sắc thể Y

Các gen nằm trên nhiễm sắc thể Y nhưng không có trên nhiễm sắc thể X được gọi là gen holandric.  Các tính trạng do chúng kiểm soát dĩ nhiên là chỉ xuất hiện ở giới đực.  Ở người nhiễm sắc thể Y có một ít gen. 

a. Liên kết gen

Trong mỗi tế bào số lượng gen lớn hơn rất nhiều so với số lượng nhiễm sắc thể.  Thật vậy, mỗi nhiễm sắc thể có đến hàng trăm hoặc hàng ngàn gen.  Các gen cùng nằm trên một nhiễm sắc thể có khuynh hướng di truyền cùng với nhau trong các phép lai.  Các gen nầy được gọi là các gen liên kết và tất cả các gen cùng nằm trên một nhiễm sắc thể tập hợp thành một nhóm gen liên kết.

            Chúng ta hãy xem một thí nghiệm khác của Morgan trên ruồi giấm để xem liên kết gen ảnh hưởng như thế nào đến sự di truyền của hai cặp tính trạng màu thân và dạng cánh.  Ruồi kiểu dại có thân xám, cánh dài.  Kiểu hình đột biến về hai tính trạng nầy là thân đen, cánh ngắn.  Các alen kiểm soát các tính trạng nầy được ký hiệu: B = thân xám, b = thân đen, V = cánh dài, v = cánh ngắn.

            Morgan cho lai giữa ruồi đực dị hợp về hai tính trạng (BbVv) với ruồi cái có hai tính trạng lặn (bbvv).  Nếu theo định luật phân ly độc lập của Mendel, phép lai nầy sẽ cho ra bốn loại kiểu hình ở đời con với tỉ lệ xấp xỉ 1 xám, dài : 1 xám,ngắn : 1 đen, dài : 1 đen, ngắn.  Kết quả thực tế lại hoàn toàn khác hẳn.  Ở đời con chỉ xuất hiện hai kiểu hình giống với bố mẹ là xám, dài và đen, ngắn.  Morgan kết luận rằng trong trường hợp nầy màu thân và dạng cánh được di truyền chung với nhau trong một tổ hợp đặc biệt vì các gen qui định hai tính trạng nầy nằm trên cùng một nhiễm sắc thể.           

b. Hoán vị gen        

Trong một thí nghiệm khác, khi Morgan cho lai giữa ruồi cái dị hợp về hai tính trạng (BbVv) với ruồi đực có hai tính trạng lặn (bbvv), ở đời con thu được 4 kiểu hình với số lượng là:      

965 con thân xám, cánh dài

                        944 con thân đen, cánh ngắn

                        206 con thân xám, cánh ngắn

                        185 con thân đen, cánh dài

Chúng ta có thể giải thích như thế nào về kết quả của phép lai nầy? Nếu các gen qui định hai tính trạng nằm trên các nhiễm sắc thể khác nhau và phân ly độc lập, tỉ lệ kiểu hình ở đời con phải là 1:1:1:1.  Nếu hai gen cùng nằm trên một nhiễm sắc thể và liên kết hoàn toàn, đời con phải có hai kiểu hình giống bố mẹ với tỉ lệ 1:1.  Kết quả của phép lai hoàn toàn khác hai trường hợp trên..  Phần lớn các cá thể con có hai kiểu hình giống bố mẹ, cho thấy có sự liên kết giữa hai gen, nhưng khoảng 17% lại có kiểu hình tái tổ hợp.  Như vậy, mặc dù có sự liên kết nhưng nó có vẽ không hoàn toàn.  Morgan cho rằng phải có cơ chế làm trao đổi hai đoạn giữa hai nhiễm sắc thể tương đồng, phá vở sự liên kết giữa hai gen.  Các thí nghiệm tiếp theo đã chứng minh rằng

chính sự trao đổi đoạn đã dẫn đến sự tổ hợp lại của các gen liên kết (xem chương 6).  Khi các nhiễm sắc thể tương đồng bắt cặp trong quá trình tiếp hợp ở kỳ trước của giảm phân I, hai chromatid của hai nhiễm sắc thể có thể trao đổi với nhau hai đoạn tương ứng.  Sự trao đổi đoạn giữa hai nhiễm sắc thể tương đồng phá vỡ nhóm gen liên kết trên nhiễm sắc thể của bố mẹ, tạo thành các nhiễm sắc thể tái tổ hợp có mang các alen trong các tổ hợp mới.  Các sự kiện tiếp theo của giảm phân sẽ phân bố các nhiễm sắc thể tái tổ hợp về các giao tử.

            Có thể tóm tắt kết quả thí nghiệm bằng sơ đồ sau:

c. Bản đồ di truyền

Việc khám phá ra các gen liên kết và sự tái tổ hợp do trao đổi chéo đã giúp cho nhóm nghiên cứu của Morgan tìm ra phương pháp xây dựng bản đồ di truyền.  Một bản dồ di truyền liệt kê trình tự của các locus gen dọc theo chiều dài của mỗi nhiễm sắc thể.  Trong phần nầy chúng ta sẽ tìm hiểu xem bằng cách nào có thể dùng các dữ liệu trao đổi chéo để xây dựng một loại bản đồ di truyền gọi là bản đồ gen liên kết.

Như đã xét ở phần trên, gen qui định màu thân của ruồi giấm liên kết với gen qui định dạng cánh.  Tần số tái tổ hợp giữa hai locus gen khoảng 17%.  Cùng nằm trên một nhiễm sắc thể với hai gen nầy có một locus gen thứ ba qui định màu mắt.  Tần số tái tổ hợp giữa gen c (mắt màu son) với gen b (thân đen) là 9%.  Như vậy, tần số trao đổi chéo giữa b và v (cánh ngắn) gấp khoảng hai lần tần số trao đổi chéo giữa b và c (17% so với 9%).  Năm 1917 Alfred H.  Sturtevant (một trong những học trò của Morgan) đã suy luận ra rằng tần số tái tổ hợp khác nhau phản ánh khoảng cách khác nhau giữa hai gen trên một nhiễm sắc thể; nghĩa là hai gen xa nhau trên nhiễm sắc thể sẽ có khả năng tái tổ hợp cao hơn hai gen gần nhau.  Nếu cho rằng tần số trao đổi chéo giữa hai gen tỉ lệ trực tiếp với khoảng cách giữa chúng thì khoảng cách giữa b và v sẽ xấp xỉ gấp 2 lần khoảng cách giữa b và c.

Từ những suy luận trên, Sturtevant bắt đầu dùng các dữ liệu tái tổ hợp để xây dựng vị trí các gen trên một bản đồ.  Ông định nghĩa một đơn vị bản đồ là 1% tần số tái tổ hợp.  Như vậy, locus b và c cách nhau 9 đơn vị, còn b và v cách nhau 17 đơn vị.  Nhưng trình tự sắp xếp của ba gen nầy trên nhiễm sắc thể như thế nào? Chúng ta có thể loại trừ trình tự b - v - c vì c nằm gần b hơn là v.  Hai trình tự còn lại có thể có là c - b - v và b - c - v.  Tần số tái tổ hợp giữa c và v sẽ giúp chúng ta xác định đúng trình tự của 3 gen nầy.  Ở trình tự thứ nhất ( c - b - v ) khoảng cách giữa c và v phải là (26 đơn vị (17 + 9) trong khi ở trình tự thứ hai ( b - c - v ) khoảng cách giữa c và v là ( 8 đơn vị (17 - 9).  Sturtevant đã xác định được tần số tái tổ hợp giữa c và v là 9,5% vì vậy ông cho rằng 3 gen nầy được sắp xếp trên nhiễm sắc thể theo trình tự b -c -v.  Chẳng bao lâu, phương pháp nầy đã được mở rộng để xây dựng bản đồ các gen khác trên ruồi giấm

Các tác nhân vật lý, hóa học của môi trường cũng như các sai sót trong giảm phân có thể làm biến đổi cấu trúc và số lượng nhiễm sắc thể trong một tế bào.  Trong phần nầy chúng ta sẽ tìm hiểu những biến đổi đó và ảnh hưởng của chúng đối với một số rối loạn di truyền  ở  người.

a. Ðột biến cấu trúc nhiễm sắc thể

Sự phá hủy nhiễm sắc thể có thể dẫn đến bốn kiểu thay đổi trong cấu trúc của nhiễm sắc thể.  Sự mất đoạn (deletion) xảy ra khi một đoạn nhiễm sắc thể bị đứt ra (đoạn không có tâm động) và bị mất đi trong quá trình phân bào.  Ðoạn còn lại sẽ thiếu một số gen nhất định.  Trong một số trường hợp khác đoạn bị đứt có thể nối vào một nhiễm sắc thể tương đồng gây ra sự lặp đoạn (duplication).  Ðoạn nầy cũng có thể được nối với nhiễm sắc thể ban đầu nhưng theo chiều ngược lại, tạo ra sự đảo đoạn (inversion).  Dạng thứ tư là đoạn nầy nối với một nhiễm sắc thể khác không tương đồng, gọi là sự chuyển đoạn (translocation).

             Có thể minh họa bốn dạng biến đổi cấu trúc như sau:

            Một cơ thể bị mất đoạn thường thiếu một số gen nhất định dẫn tới sự mất cân bằng giữa các gen và thường bị chết.  Thí dụ: ở người, một hội chứng gọi là cri du chat (cry of the cat) do nhiễm sắc thể số 5 bị mất một đoạn.  Trẻ sơ sinh mắc phải hội chứng nầy thường có đầu nhỏ, si đần và tiếng khóc như tiếng mèo kêu, chết sớm (trước tuổi dậy thì).

            Lặp đoạn và chuyển đoạn cũng gây ra những hậu quả có hại.  Chẳng hạn ở người, hiện tượng chuyển một đoạn nhỏ của nhiễm sắc thể số 9 gắn vào nhiễm sắc thể số 22 gây ra bệnh ung thư bạch cầu.

            Trong trường hợp đảo đoạn mặc dù tất cả các gen đều hiện diện (nhưng trình tự thay đổi) nên chúng cũng làm biến đổi kiểu hình vì sự biểu hiện của một gen thường bị ảnh hưởng bởi vị trí của nó so với các gen kế cận.

b.  Ðột biến số lượng nhiễm sắc thể

Trong quá trình giảm phân đôi khi xảy ra hiện tượng không phân ly (nondisjunction), trong đó hai nhiễm sắc thể của một cặp tương đồng không tách ra và phân ly trong giảm phân I hoặc hai chromatid của một nhiễm sắc thể kép không phân ly trong giảm phân II.  Trong những trường hợp nầy, một giao tử sẽ nhận được 2 nhiễm sắc thể cùng loại (n + 1) và một giao tử sẽ không nhận được nhiễm sắc thể nào thuộc loại nầy (n - 1).  Khi các giao tử đột biến tổ hợp với giao tử bình thường, hợp tử được hình thành sẽ dư (2n + 1) hoặc thiếu (2n - 1) một nhiễm sắc thể, được gọi là thể dị bội (aneuploidy).  Nếu sinh vật sống sót, chúng sẽ mắc phải  các hội chứng do số lượng gen không bình thường nằm trên nhiễm sắc thể thừa hoặc thiếu.  Sự không phân ly cũng có thể xảy ra trong nguyên phân.  Nếu một sai sót như thế xuất hiện vào giai đoạn sớm của sự phát triển phôi, một số lượng lớn tế bào trong cơ thể sẽ ở tình trạng dị bội và ảnh hưởng nghiêm trọng đến sinh vật.

            Ở người, một số rối loạn trong di truyền thường có liên quan đến các trường hợp đột biến thể dị bội.  Hội chứng Down (Down syndrome) chiếm tỉ lệ khoảng 1/700 trẻ sơ sinh ở Mỹ.  Hội chứng nầy thường là do sự gia tăng thêm một nhiễm sắc thể thứ 21 làm cho số lượng nhiễm sắc thể tromg mỗi tế bào của cơ thể là 47.  Mặc dù đây là nhiễm sắc thể nhỏ nhất trong tế bào của người, sự tăng thêm một nhiễm sắc thể nầy làm biến đổi nghiêm trọng kiểu hình của cơ thể: lùn, đầu to, cổ ngắn, gáy rộng, mắt lồi, lưỡi dài và dầy, si đần, vô sinh và chết sớm.  Tần số mắc hội chứng Down ở con thường có liên quan đến tuổi của người mẹ (Bảng 2)

                        Bảng 2.  Tuổi người mẹ và tần số mắc hội chứng Down ở con

             Ngoài hội chứng Down còn một số rối loạn khác ở người cũng do đột biến thể dị bội trên nhiễm sắc thể thường.  Hội chứng Patau (3 nhiễm sắc thể số 13) có tần số khoảng 1/5000.  Người mắc hội chứng nầy thường có những khuyết tật nghiêm trọng ở mắt, não, hệ tuần hoàn và thường sứt môi.  Hội chứng Edwards (3 nhiễm sắc thể số 18) xảy ra với tần số 1/10000 và có ảnh hưởng đến hầu hết các cơ quan trong cơ thể.  Trong cả hai hội chứng nầy, đứa trẻ thường hiếm khi sống hơn một năm.

            Ðột biến thể dị bội cũng có thể xảy ra trên nhiễm sắc thể giới tính, gây ra các hội chứng: Hội chứng Klinefelter có tần số 1/2000, người nam có nhiễm sắc thể XXY, cơ quan sinh dục nam nhưng dịch hoàn rất nhỏ và thường vô sinh.  Người mắc hội chứng nầy thường rất cao, vú và một số đặc điểm khác trên cơ thể là của nữ.

            Hội chứng 3X xảy ra với tần số 1/1000, người nữ có buồng trứng và dạ con không phát triển, thường rối loạn kinh nguyệt và khó có con.

            Hội chứng Turner xảy ra với tần số 1/5000, người nữ lùn, cơ quan sinh dục không phát triển, các đặc tính sinh dục thứ cấp phát triển sai lệch, vô sinh.

            Trong trường hợp toàn bộ số lượng nhiễm sắc thể trong tế bào đều nhân đôi nhưng không phân ly trong quá trình phân bào, số lượng nhiễm sắc thể của tế bào con sẽ tăng lên gấp đôi.  Nếu hiện tượng nầy xảy ra trong giảm phân, giao tử được hình thành sẽ là lưỡng bội (2n) thay vì đơn bội (n).  Khi giao tử nầy thụ tinh với một giao tử đơn bội sẽ tạo ra một hợp tử tam bội (3n).  Nếu được thụ tinh bởi một giao tử lưỡng bội khác, một hợp tử tứ bội (4n) sẽ được tạo ra.  Nói chung, các tế bào có nhiều hơn 2 bộ nhiễm sắc thể (3n, 4n, 5n...) đều được gọi là đa bội (polyploidy).    

Hầu hết các trường hợp đa bội thể trong tự nhiên thường xảy ra ở thực vật, hiếm thấy ở động vật.  Trong phòng thí nghiệm, người ta có thể tạo ra các thể đa bội bằng cách xử lý các thực vật với những loại hóa chất thích hợp để cản trở sự phân ly của các nhiễm sắc thể trong quá trình phân bào.  Hiện tượng đa bội và vai trò của chúng trong tiến hóa sẽ được đề cập thêm trong chương 14.